基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析武学毅

第３１卷第１期２　０　１　３年１月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１Ｎｏ．１Ｊａｎ．２　０　１　３文章编号：１０００－７７０９（２０１３）０１－０１０４－０４基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析武学毅１，熊成林１，成　涛２（１．中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京１０００３８；２．中国长江三峡集团公司，北京１０００３８）摘要：以呼和浩特抽水蓄能电站为例，应用滑动测微计对施工期地下洞室围岩表面和深度变形进行监测。

近２０个月监测资料表明，监测期间地下洞室处于稳定状态，围岩表面变形较大值发生于地下洞室第五、六层开挖过程中。

由于围岩深度变形主要由岩体结构面张开引起，配合多点位移计进行校核验证，则可判断围岩结构面张开位置。

可见开挖过程的变形监测，可实时指导施工、优化设计、保证地下洞室开挖安全。

关键词：变形监测；滑动测微计；地下洞室；围岩变形；稳定性中图分类号：ＴＵ４５７文献标志码：Ａ收稿日期：２０１２－０５－２５，修回日期：２０１２－０７－０９作者简介：武学毅（１９８４－），男，博士研究生、工程师，研究方向为工程安全监测，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｙ５２１６８＠１２６．ｃｏｍ 地下洞室围岩内部变形监测分点法和线法两种，点法监测是目前较常用的监测方法，多采用多点位移计进行监测，但其只能提供有限监测数据，难以准确刻画出岩体内部变形；线法监测是沿一条长测线进行近乎连续监测，以获取岩体内部沿钻孔方向的连续数据，可较为准确地了解岩体内部变形，该方法在国外应用较为广泛［１］，其典型监测仪器有滑动测微计、测斜仪等。

滑动测微计具有可有效修正零点漂移、精度高等特点，可有效区分桩基内力的诱发因素，全面评价桩基内力［［２～４］。

国内首次采用滑动测微计监测围岩松动变形是在水布垭电站地下厂房［５］，但目前国内应用滑动测微计监测地下洞室围岩变形的成果较少。

鉴此，本文通过滑动测微计工程应用实例，与其他监测手段进行比对分析，研究了大型地下洞室施工期围岩表面和深度的变形机制。

１　滑动测微计工作原理和方法１．１　工作原理采用滑动测微计为瑞士ＳＯＬＥＸＰＥＲＴＳ公司研制的高精度位移（应变）观测仪器设备，可测量沿钻孔轴向的应变和轴向位移的全部分布情况。

滑动测微计由测头、电缆、操作杆、读数仪、标定筒和导管（含标芯）等部分组成（图１）。

其工作原理为［６］：测量导管预先埋设在岩体或混凝土的钻孔内，并与被观测体浇筑为一体。

观测时，将滑动测微计测头放入导管内，使测头与导管标芯顶紧，利用锥面—球面原理测量相邻测环（标芯）的精确距离，从而获得沿一测线（钻孔轴线）方向不同深度图１　滑动测微计组成示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｓ的轴向位移或应变分布。

滑动测微计测头内装有两套高精度的线圈系统（标距为１ｍ），当被测岩体（结构物）发生轴向变形时，测头内的两套线圈系统在测量位置上通过两个测环感应，产生一个与两测量环实际间距成比例的电信号，并由测读仪读出，经换算得出长度变化，该长度变化即为被测体的变形值。

１．２　计算方法滑动测微计监测围岩内部松动变形主要优点在于精度高、可修正温度影响及零点漂移。

其具体计算公式为：Ｍｓ＝∑ｉ＝顶ｉ＝底（Ｍｉ－Ｍ０）（１）Ｍｉ＝珡Ｋｉ（ａｉ－珚Ｚｉ）（２）Ｍ０＝珡Ｋ０（ａ０－Ｚ０—）（３）Ｋ＝４．７５２／（Ｅ２－Ｅ１）（４）Ｚ＝（Ｅ１＋Ｅ２）／２（５）式中，Ｍｓ为钻孔内各深度至孔口的轴向位移；Ｍ０为基准值；Ｍｉ为某深度相对轴向位移；珡Ｋ为修正后校正系数（观测前、后校正系数的算术均值）；第３１卷第１期武学毅等：基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析Ｋ０、珚Ｚ０分别为基准值修正后校正系数、零点；Ｋｉ、珚Ｚｉ分别为某深度修正后校正系数、零点；珚Ｚ为修正后零点（观测前、后零点的算术均值）；ａ为未校正前仪器读数；４．７５２为仪器厂家参数；Ｅ１、Ｅ２分别为测头标定时不同标定位置标定读数。

２　实例２．１　工程概况呼和浩特抽水蓄能电站（简称呼蓄电站）位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部大青山区，装机容量４×３００ＭＷ，电站由上、下水库及水道系统、地下厂房系统等水工建筑物组成。

地下厂房系统由主副厂房、主变洞、安装场、母线洞等建筑物组成。

地下厂房区地层岩性主要有上太古界乌拉山群变质岩和吕梁期侵入的片麻状黑云母花岗岩。

厂房区的岩性主要为斜长角闪岩和片麻状黑云母花岗岩，局部夹有花岗伟晶岩和小型蚀变带。

厂房区内地质构造主要表现为断裂构造，包括断层、裂隙密集带及构造裂隙等。

其次，岩体中小型揉皱在片麻状花岗岩中有发育，一般规模不大。

厂房和主变室等主要地下洞室布置于两条断层（ｆ３３和ｆ５４）之间的岩体内，厂房和主变室平行布置，两者之间的岩体厚度为４６ｍ。

切割主变洞室围岩的主要断裂结构面为断层ｆｃ７、ｆｃ９。

厂房区围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部断层破碎带处为Ⅳ类。

厂房轴线探洞ＰＤ９１２中Ⅱ类围岩占６７％，Ⅲ类围岩占２３％，Ⅳ类围岩占１０％。

图２　围岩松动变形典型监测断面布置图Ｆｉｇ．２　Ａｒｒｃｍｇｅｍｅｎｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎｏｆ　ｌｏｏｓｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ２．２　测点布置呼蓄电站地下洞室的主厂房和主变洞各布置２个围岩松动变形监测断面（Ⅰ、Ⅲ断面）。

每个断面有１２套监测仪器，分别布置在洞室顶拱、上下游边墙，用于监测顶拱和直立墙在厂房向下开挖过程中围岩变形情况。

地下洞室围岩松动变形典型监测断面布置图，见图２（Ⅰ、Ⅲ断面监测仪器类型、数量、位置布置相同）。

３　监测结果及分析３．１　围岩深部变形机制图３为主厂房Ⅰ、Ⅲ断面上游边墙、顶拱、下游边墙（ＣＶ１－１～ＣＶ１－３、ＣＶ３－１～ＣＶ１－３）各深度围岩累计变形———孔深分布曲线。

累计变形指以图３　围岩变形———孔深分布曲线Ｆｉｇ．３　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｌｏｎｇ　ｈｏｌｅ　ｄｅｐｔｈ图４　围岩深度位移———时间过程线Ｆｉｇ．４　Ｈｙｄｒｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ孔底为相对不动点，从孔底至孔口的相对位移之和。

图４为主厂房Ⅰ、Ⅲ断面上游边墙滑动测微计附近布置的多点位移计监测的围岩深度变形———时间过程线。

由图３（ａ）可看出，厂房上游边墙变形稍大于相同高程厂房下游边墙。

Ⅰ断面主厂房上游边墙测点ＣＶ１－２（▽１　３１２．０ｍ）在距围岩表面７ｍ处累计变形为０．１６ｍｍ，占总变形·５０１·量的５４．６％，距围岩表面３ｍ处累计变形为０．２７ｍｍ，占总变形量的９０．４％，而距围岩表面６～４ｍ、２～０ｍ各测点围岩变形值基本相同，说明该部位直立边墙在距围岩表面７、３ｍ处应有裂隙。

相同时段，在ＣＶ１－２测点厂房右侧０．８ｍ处布置的多点位移计Ｍ１－４（▽１　３１２．０ｍ，孔深１６．５５ｍ，排水廊道预埋）监测数据显示（图４（ａ）），距围岩表面１、３ｍ处围岩变形均较大，围岩表面变形主要是裂隙变形的累计值，且距围岩表面１ｍ处围岩变形明显大于距围岩表面３ｍ处，而距围岩表面７ｍ处围岩变形却与该测点其他深度围岩变形值接近，说明该部位在距围岩表面７～３ｍ、３～１ｍ处应存在裂隙。

将滑动测微计监测数据与相同部位多点位移计监测数据结合分析，则可判定在距围岩表面７、３ｍ处岩体有裂隙存在。

由图３（ｂ）可看出，Ⅲ断面主厂房上游边墙ＣＶ３－２测点（▽１　３１２．０ｍ）距围岩表面４ｍ处累计变形为０．３８ｍｍ，占总变形量的９６．４％。

在ＣＶ３－２测点主厂房右０．８ｍ处布置的多点位移计Ｍ３－４（▽１　３１２．０ｍ，孔深１６．５５ｍ，排水廊道预埋）监测数据显示（图４（ｂ）），在相同时段距围岩表面１、３ｍ处围岩变形基本相同，且均大于其他深度岩体变形，说明该部位直立边墙在距围岩表面１５～３ｍ处存在裂隙。

结合滑动测微计监测数据与多点位移计监测数据，可判定在距围岩表面４ｍ处岩体有裂隙存在。

滑动测微计监测数据显示，地下洞室围岩深度变形较大部位岩体变形量均占相应测孔累计变形量９０％以上，说明呼蓄电站地下洞室主厂房直立边墙的变形主要是由结构面或软弱面的展开引起的。

３．２　围岩表面变形量与施工开挖的关系由于滑动测微计导管是随地下洞室开挖逐层安装的，当地下洞室开挖底板高程与测量管埋设高程相差较大时，滑动测微计的正常观测将会受到影响。

围岩变形与洞室开挖之间的关系主要依靠排水廊道预埋的多点位移计监测数据进行分析。

选择滑动测微计邻近断面的多点位移计监测数据，分析发现在主厂房第五层开挖前，主厂房第一、二层排水廊道预埋的多点位移计监测的围岩浅层及表面变形均较小，第五层开挖开始后，主厂房第一层排水廊道（Ｍ３－４测点）表面变形１．８７ｍｍ，比第五层开挖前变形值增长２７％，是目前（２０１２－０４）变形量的７０．８％；主厂房第二层排水廊道（Ｍ３－６测点，仪器布置见图２）表面变形１１．５７ｍｍ，是第五层开挖前变形值的３．２倍，占目前（２０１２－０４）变形量的７６．１％；在主厂房第六层开挖后，主厂房围岩表面变形量已达到目前变形量的８５％～９４％［８］。

厂房典型测点围岩变形与厂房开挖进度统计见表１，围岩变形与开挖关系图见图５。

由表１和图５可看出，地下洞室围岩表面变形较大值主要发生于厂房第五、六层开挖过程中。

表１　围岩变形与厂房开挖进度统计Ｔａｂ．１　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ时间（年－月－日）底板高程／ｍ开挖层次Ｍ３－４Ｍ３－６表面变形／ｍｍ占当前值比例／％表面变形／ｍｍ占当前值比例／％２０１０－０９－２８　１　３０４．１二０．３７　１４．０——２０１０－１２－１２　１　３０１．０二０．９４　４９．６——２０１１－０５－１４　１　２９５．０三１．７２　６５．２　０．０３　０．２２０１１－０９－１７　１　２８８．４四１．４７　５５．７　３．６１　２３．７２０１１－１１－１２　１　２８１．５五１．８７　７０．８　１１．５７　７６．１２０１１－１２－１７　１　２７５．０六２．２３　８４．５　１４．３０　９４．０２０１２－０２－１１　１　２６８．７七２．３４　８８．６　１４．９５　９８．３２０１２－０３－１７　１　２６８．０七２．３４　８８．６　１５．１３　９９．５２０１２－０４－１４　１　２６８．０七２．６４　１００．０　１５．２１　１００．０注：“—”代表仪器未安装。

图５　围岩变形与厂房开挖关系Ｆｉｇ．５　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ４　结语ａ．应用滑动测微计对地下洞室围岩表面和深度变形进行施工期监测，并用多点位移计监测数据进行校核验证，则可判断岩体裂隙位置，且监测资料显示围岩深度变形主要是由岩体结构面张开引起。